核融合と核分裂: 2 つの核反応、2 つのエネルギー経路

核反応: 核分裂 vs 核融合

核反応 (原子核が関与する変化) は、宇宙で最もエネルギー的なプロセスを表します。 物質に含まれるこのエネルギーを解放するには、主に 2 つの方法があります。核分裂 (重い原子核が 2 つの軽い原子核に分裂する過程)そして合併 (2 つの軽い原子核が結合してより重い原子核を形成するプロセス)。 原理的には根本的に異なりますが、これら 2 つの反応は次の有名な方程式に従います。アルバート・アインシュタイン(1879-1955): \(E = mc^2\)、これは質量とエネルギーの等価性を確立します。

核分裂：分裂して存在する

核分裂は、中性子の衝突下で重い原子核 (たとえば、ウラン 235 やプルトニウム 239) が 2 つの軽い破片に破壊されることで構成されます。 放出されるエネルギーは、核子ごとの結合エネルギーに関連する質量差から生じます。 通常、\(^{235}\)U の核分裂では、中性子を捕捉した後、個々の核分裂反応ごとに約 \(200\ \text{MeV}\) が放出されます。

1938 年にオットー・ハーン (1879-1968) とフリッツ・シュトラスマン (1902-1980) によって発見され、リーゼ・マイトナー (1878-1968) とオットー・フリッシュ (1904-1979) によって解釈されたこの反応は、かなりのエネルギーといくつかの中性子を放出し、それらが新たな核分裂を引き起こし、連鎖反応を引き起こします。

放出されるエネルギーは質量欠陥から生じます。つまり、核分裂生成物の質量の合計は、最初の原子核の質量よりも小さくなります。 この質量欠陥は、小さいとはいえ、\(E = \Delta m c^2\) に従って巨大なエネルギーに変換されます。ここで、\(\Delta m\) は質量差、\(c\) は光の速度です。

要約すると、あるサイズを超えると、単一の不安定な重い核の形で存在するよりも、2 つの中程度の核の形で存在する方がエネルギー的に有利であるため、核は分裂します。 核分裂は、中性子の追加によって引き起こされる、この安定性の探求の表現です。

核融合：団結が力を生む

対照的に、核融合では、水素の同位体 (重水素 \(^{2}\)H と三重水素 \(^{3}\)H) などの 2 つの軽い原子核が結合して、より重い原子核 (ヘリウム \(^{4}\)He) を形成します。 太陽のような星に動力を供給するこのプロセスは、核子あたり核分裂よりもさらに大きなエネルギーを放出します。 正に帯電した原子核間の静電反発力 (クーロン障壁) を克服するには、温度 (数百万度のオーダー) と圧力の極端な条件が必要です。 D-T 反応により放出されるエネルギーは \(17.6\ \text{MeV}\) 程度です。

地球上で核融合を達成することは、途方もない技術的挑戦を意味するが、その可能性は計り知れない。豊富な燃料、長寿命の放射性廃棄物の生成量の少なさ、そして反応レースのリスクのなさである。

注記 ：D-T 融合が解放されると言うとき、17.6MeV、これはエネルギーです素反応ごとの合計つまり、重水素原子核 (\(^{2}\)H) と三重水素原子核 (\(^{3}\)H) の間の相互作用の場合です。 このエネルギーはヘリウム 4 原子核 (約 3.5 MeV) と中性子 (約 14.1 MeV) の間に分配されます。 反応が伴うので、5バリオン(2+3)、各核子に返されるエネルギーは次のとおりです。 \( \frac{17.6}{5} \約 3.5\ \text{バリオンあたりの MeV}。 \) 私たちが他の核プロセスとよく比較するのはこの値です。核分裂放出はバリオンあたり 0.9 MeV 程度ですが、核融合はバリオンあたり数 MeV に達するため、反応性質量スケールでのエネルギー潜在力はより高くなります。

2 つのエネルギー経路の比較

次の表は、これら 2 つの核反応の主な特徴を要約し、その基本的な違いを強調しています。

• 参考文献:国際原子力機関 (IAEA) （新しいウィンドウ）、ITER （新しいウィンドウ）。